纳米氧化锌薄膜气体传感器及其制备方法

摘要

一种纳米氧化锌薄膜气体传感器包括音叉式石英晶片，该晶片是现成的，其两个电极分别从其两个振臂的根部引出，在所述的两个振臂上生长有纳米氧化锌薄膜，其工作基于以下现象：纳米氧化锌薄膜吸附特种气体后，振臂质量增大，导致音叉式石英晶片固有频率下降。该气体传感器的制备方法是在音叉型石英晶片的两个振臂上生长厚度为50～500纳米的纳米氧化锌薄膜，所述的纳米氧化锌的颗粒的粒径为10～100纳米。该气体传感器可与传统的晶体振荡器组成的频率型气体传感器频率型气体传感器，有结构简单、灵敏度高、制作方便、其输出信号的频率为数字量，无需模数转换，就能直接由数字电路进行后续的信号处理的优点，适于用来测量空气中乙醇气体的浓度。

权利要求

1、一种纳米氧化锌薄膜气体传感器(5)，包括音叉型石英晶片，所述的音叉型石英晶片的两个电极引出脚(6、7)分别从其两个振臂(9)的根部引出，其特征在于，在两个振臂(9)上生长有纳米氧化锌薄膜(8)，所述的纳米氧化锌的颗粒的粒径为10～100纳米，纳米氧化锌薄膜(8)的厚度为50～500纳米。

2、 权利要求1所述的纳米氧化锌薄膜气体传感器（5)的制备方法，其特 征在于，制备从音叉型石英晶片开始，具体操作步骤：第一步音叉型石英晶片的前处理将音叉型石英晶片在丙酮中浸泡30分钟，再用去离子水冲洗5分钟，最后 在5(TC的烘箱中烘干，备用； 第二步制备前驱液将3克二水醋酸锌盐投入6(TC的100毫升无水乙醇中，搅拌30分钟，得 前驱液；第三步生长纳米氧化锌薄膜（8)的前体将经第一步处理的音叉型石英晶片的两个振臂（9)浸入第二步制得的前驱 液中，然后提起，在5(TC的烘箱中烘干，上述浸入-提起-烘干过程的次数为l〜 10次，音叉型石英晶片的两个振臂（9)上依附有一层白色薄膜，即纳米氧化锌 薄膜（8)的前体；第四步退火、得成品将经第三步处理的音叉型石英晶片放在200〜900。C的烘箱中退火30分钟， 纳米氧化锌薄膜（8)依附在音叉型石英晶片的两个振臂（9)上，得纳米氧化锌 薄膜气体传感器（5)成品。

3、 根据权利要求2所述的纳米氧化锌薄膜气体传感器（5)的制备方法， 其特征在于，所述的音叉型石英晶片的固有频率的标称值为32768Hz。

4、 一种由权利要求1所述的纳米氧化锌薄膜气体传感器（5)与晶体振荡 器组成的频率型气体传感器，所述的晶体振荡器包括电阻（R)、第一电容（Cl)、 第二电容（C2)、第三电容（C3)和集成电路（IC)，电阻（R)的阻值为20 兆欧，第一电容（Cl)、第二电容（C2)和第三电容（C3)的电容量分别为33P、 IOOP和IOOOOP，集成电路(IC)的型号为74HC04，集成电路(IC)的第1脚、 第2脚和第3脚分别通过第一电容（Cl)、第二电容（C2)和第三电容（C3)接地，集成电路（IC)的第2脚与第3脚连接，电阻（R)跨接在集成 电路（IC)的第1脚和第2脚之间，其特征在于，所述的纳米氧化锌薄膜气体传 感器（5)的固有频率的标称值为32509Hz，纳米氧化锌薄膜气体传感器（5)的 电极引出脚（6、 7)跨接在集成电路（IC)的第1脚和第2脚之间，集成电路（IC) 的第4脚是所述的频率型气体传感器的传感信号的输出端。

5、权利要求4所述的频率型气体传感器用于测量乙醇气体在空气中的浓 度，其特征在于，操作步骤：第一步所述的频率型气体传感器的固有频率的标称值为32509Hz，将该频 率型气体传感器置于含被测乙醇气体的空气中；第二步测量该频率型气体传感器输出的传感信号的频率f，单位是Hz;第三步求出该频率型气体传感器输出的传感信号的频率的下降值4/;，formula see original document page 3单位是Hz;第四步求出乙醇气体在空气中的的浓度C，formula see original document page 3单位 是ppm。

说明书

纳米氧化锌薄膜气体传感器及其制备方法 技术领域本发明涉及一种纳米氧化锌薄膜气体传感器及其制备方法，属于传感器及 其制造的技术领域。背景技术气体传感器是用于检测某种特定气体的浓度的传感器件，如检测乙醇，丙 酮，乙醚等气体。气体传感器的敏感材料的微粒的粒度越小，比表面积越大，传 感器与周围气体的接触而发生的相互作用越大。纳米氧化锌薄膜具有非常大的比 表面积，有利于被测气体的吸附，是一种理想的气体敏感材料。传统气体传感器都是通过检测敏感材料对气体响应的模拟量电参数如电 阻，电容等来表示出相应的某种气体的浓度值。背景技术的缺点是对气体传感器 传感的模拟信号必需进行模数转换，把模拟量转换为数字量，才能进行后续的信 号处理。发明内容本发明的一个目的是提供一种纳米氧化锌薄膜气体传感器，该气体传感器 有结构简单、灵敏度高、制作方便、和其输出信号的频率为数字量，无需进行模 数转换，就能直接由数字电路进行后续的信号处理的优点。为实现以上目的，本发明采用以下的技术方案。现结合附图说明如下。一种纳米氧化锌薄膜气体传感器5，包括音叉型石英晶片，所述的音叉型石 英晶片的两个电极引出脚6、 7分别从其两个振臂9的根部引出，其特征在于， 在两个振臂9上生长有纳米氧化锌薄膜8，所述的纳米氧化锌的颗粒的粒径为 10〜100纳米，纳米氧化锌薄膜8的厚度为50〜500纳米。本发明的另一个目的是提供上述传感器的制备方法。为实现以上目的，本 发明采用的技术方案是在现成的音叉型石英晶片的两个振臂9上通过溶胶一凝 胶方法生长颗粒粒径和厚度分别为10〜100纳米和50〜500纳米的纳米氧化锌薄 膜8。现结合附图详细描述本发明的气体传感器的制备方法。 一种纳米氧化锌薄膜气体传感器5的制备方法，其特征在于，制备从音叉型石英晶片开始，具体操作步骤：第一步音叉型石英晶片的前处理将音叉型石英晶片在丙酮中浸泡30分钟，再用去离子水冲洗5分钟，最后在5(TC的烘箱中烘干，备用；第二步制备前驱液将3克二水醋酸锌盐投入6(TC的100毫升无水乙醇中，搅拌30分钟，得前驱液；第三步生长纳米氧化锌薄膜8的前体将经第一步处理的音叉型石英晶片的两个振臂9浸入第二步制得的前驱液 中，然后提起，在5(TC的烘箱中烘干，上述浸入-提起-烘干过程的次数为1〜10 次，音叉型石英晶片的两个振臂9上依附有一层白色薄膜，即纳米氧化锌薄膜8 的前体；第四步退火、得成品将经第三步处理的音叉型石英晶片放在200〜90(TC的烘箱中退火30分钟， 纳米氧化锌薄膜8依附在音叉型石英晶片的两个振臂9上，得纳米氧化锌薄膜气 体传感器5成品。本发明的制备方法的进一步特征在于，所述的音叉型石英晶片的固有频率 的标称值为32768Hz。本发明的气体传感器的工作原理：音叉型石英晶片的两个振臂9上的纳米氧 化锌薄膜8吸附气体，导致音叉型石英晶片的振臂质量产生微量的增加，使音叉 型石英晶片的固有频率下降，两者的关系如下式所示：式中m为音叉式石英晶片的振臂的质量，/。是音叉型石英晶片的固有频率，Am是 振臂质量的微量变化，A/。是纳米氧化锌薄膜气体传感器5的固有频率的微量变 化。纳米氧化锌薄膜气体传感器5吸附的气体的质量与纳米氧化锌薄膜气体传感器5的固有频率有关。使用时，把纳米氧化锌薄膜气体传感器5接在传统的晶 体振荡器中，代替控制振荡频率的晶体。此时，该振荡器的振荡频率就是纳米氧 化锌薄膜气体传感器5的固有频率。纳米氧化锌薄膜气体传感器5吸附气体后， 该振荡器的振荡频率将下降。振荡频率的变化量可用来表达纳米氧化锌薄膜气体 传感器5吸附被测气体的质量。由于气体的质量与气体的浓度有着直接的关系， 所以通过气体浓度标定，可得到振荡频率的变化量与被测气体的浓度值的关系， 换句话说，纳米氧化锌薄膜气体传感器5经气体浓度标定后，可用来检测被测气 体的浓度值。与背景技术比较，本发明有以下优点-1、 敏感性高本发明的气体传感器采用粒径为纳米级别的纳米氧化锌作为敏感材料，有 利于气体的吸附，敏感性高。2、 后续的信号处理简捷本发明的气体传感器与传统的晶体振荡器组成频率型气体传感器。该振荡 器的输出信号就是该气体传感器的传感信号，该传感信号的频率是数字量，所以， 该传感信号只需经过整形、放大，不必经过模数转换，就能直接供数字电路进行 后续的信号处理。附图说明图1是纳米氧化锌薄膜气体传感器5的结构示意图。其中，6、 7是纳米氧化锌薄膜气体传感器5的电极引出脚，8是纳米氧化锌薄膜，9是纳米氧化锌薄膜气体传感器5的音叉式石英晶片的两个振臂。图2是本发明的气体传感器的纳米氧化锌薄膜的AFM图。图3是本发明的气体传感器与传统的晶体振荡器组成的频率型气体传感器，其中，控制振荡频率的晶体由本发明的气体传感器担任。图4是本发明的频率型气体传感器传感乙醇气体的响应曲线，其中横坐标为频率型气体传感器输出的传感信号的频率的下降值4/;，单位是Hz，纵坐标为乙醇气体在空气中的浓度值，单位是ppm。具体实施方式下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。 实施例1纳米氧化锌薄膜气体传感器5的制备之一制备从固有频率的标称值为32768Hz的音叉型石英晶片开始，具体操作步骤：第一步音叉型石英晶片的前处理将音叉型石英晶片在丙酮中浸泡30分钟，再用去离子水冲洗5分钟，最后 在5(TC的烘箱中烘干，备用；第二步制备前驱液将3克二水醋酸锌盐投入6(TC的100毫升无水乙醇中，搅拌30分钟，得 前驱液；第三步生长纳米氧化锌薄膜的前体将经第一步处理的音叉型石英晶片的两个振臂9浸入第二步制得的前驱液 中，然后提起，在5(TC的烘箱中烘干，上述浸入-提起-烘干过程的次数为5次， 两个振臂9上依附有一层白色薄膜，即纳米氧化锌薄膜8的前体； 第四步退火、得成品将经第三步处理的音叉型石英晶片放在35(TC的烘箱中退火30分钟，纳米 氧化锌薄膜8依附在两个振臂9上，得纳米氧化锌薄膜气体传感器5成品，所述 的纳米氧化锌的颗粒的粒径为25〜35纳米，纳米氧化锌薄膜8的厚度为250纳 米。由于纳米氧化锌薄膜8依附在音叉型石英晶片的两个振臂9上，增大了音 叉型石英晶片的质量，使制得的纳米氧化锌薄膜气体传感器5的固有频率降低为 32509Hz。图2示出了第四步中所得的依附在两个振臂9上的纳米氧化锌薄膜8 的AFM照片，其中，纳米氧化锌颗粒的粒径为25〜35纳米。当纳米氧化锌薄膜 气体传感器5检测到乙醇，丙酮，乙醚等气体时，其固有频率将下降。实施例2纳米氧化锌薄膜气体传感器5的制备之二制备从固有频率的标称值为32768Hz的音叉型石英晶片开始。操作步骤除 以下不同外，其余同实施例1:在第三步中，浸入-提起-烘干过程的次数为2次；在第四步中，经第三步处理的音叉型石英晶片放在20(TC的烘箱中退火30分钟，纳米氧化锌薄膜8依 附在音叉型石英晶片的两个振臂9上，得纳米氧化锌薄膜气体传感器5成品，所 述的纳米氧化锌的颗粒的粒径为10〜20纳米，纳米氧化锌薄膜8的厚度为100 纳米。制得的纳米氧化锌薄膜气体传感器5的固有频率降低为32700Hz。 实施例3纳米氧化锌薄膜气体传感器5的制备之三制备从固有频率的标称值为32768Hz的音叉型石英晶片开始。操作步骤除 以下不同外，其余同实施例l:在第三步中，浸入-提起-烘干过程的次数为9次；在第四步中，经第三步 处理的音叉型石英晶片放在80(TC的烘箱中退火30分钟，纳米氧化锌薄膜8依 附在音叉型石英晶片的两个振臂9上，得纳米氧化锌薄膜气体传感器5成品，所 述的纳米氧化锌的颗粒的粒径为90〜100纳米，纳米氧化锌薄膜的厚度为450 纳米。制得的纳米氧化锌薄膜气体传感器5的固有频率降低为32405Hz。实施例4由本发明的气体传感器与传统的晶体振荡器组成的频率型气体传感器本实施例的频率型气体传感器的电路如图3所示。一种由纳米氧化锌薄膜气体传感器5与晶体振荡器组成的频率型气体传感 器，所述的晶体振荡器包括电阻R、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和 集成电路IC，电阻R的阻值为20兆欧，第一电容C1、第二电容C2和第三电容 C3的电容量分别为33P、 IOOP和IOOOOP，集成电路IC的型号为74HC04,集成 电路IC的第1脚、第2脚和第3脚分别通过第一电容Cl、第二电容C2和第三 电容C3接地，集成电路IC的第2脚与第3脚连接，电阻R跨接在集成电路IC 的第1脚和第2脚之间，其特征在于，所述的纳米氧化锌薄膜气体传感器5的固 有频率的标称值为32509Hz，纳米氧化锌薄膜气体传感器5的电极引出脚6、 7 跨接在集成电路IC的第1脚和第2脚之间，集成电路IC的第4脚是所述的频率 型气体传感器的传感信号的输出端。当频率型气体传感器的纳米氧化锌薄膜气体传感器5检测到被测气体时，传 感信号的输出端输出的传感信号的频率下降，其下降值与被测气体的浓度有关。 频率型气体传感器可用来检测乙醇气体在空气中的浓度。为此，首先要对纳米氧化锌薄膜气体传感器5进行定度:在各种乙醇气体浓度下测得的纳米氧化锌薄膜 气体传感器5的响应曲线，如图4所示。然后根据响应曲线拟合出乙醇气体在空 气中的浓度与频率型气体传感器输出的传感信号的频率的下降值的关系式：C = 83.3A/;2—1416.6A/o，式中，C为乙醇气体在空气中的浓度，单位是ppm， 4/o为 频率型气体传感器输出的传感信号的频率的下降值，单位是Hz。实施例5实施例4的频率型气体传感器的应用：测量乙醇气体在空气中的浓度实施例4的频率型气体传感器用于测量乙醇气体在空气中的浓度，其特征•在于，操作步骤：第一步实施例4的频率型气体传感器的固有频率的标称值为32509Hz，将 该频率型气体传感器置于含被测乙醇气体的空气中；第二步测量实施例4的频率型气体传感器输出的传感信号的频率f，单位 是Hz;第三步求出频率型气体传感器输出的传感信号的频率的下降值4/;，4/"Q=f-32509，单位是Hz;第四步求出乙醇气体在空气中的浓度C, C-83.3A/"。2—1416.6A/。，单位是ppm。